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高速通信网络拥塞控制算法研究

作　者: 刘志新
导　师: 关新平
学　校: 燕山大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 通信网络异步传输模式高速传输控制协议拥塞控制时滞系统主动队列管理反馈控制
分类号: TN915.07
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

随着互联网技术的飞速发展和用户对服务质量需求的提高，“拥塞”成为通信网络发展的“瓶颈问题”。高速通信网络拥塞控制是通信界与控制界的前沿热点领域。本文侧重研究ATM网络和高速TCP网络拥塞控制算法的设计和稳定性分析。本文首先针对ATM网络ABR业务流量管理问题，基于随动控制结构，考虑时延对系统的影响，提出了一种基于离散模型的改进的ABR流量控制算法，给出了保证时滞系统闭环稳定的参数选择方法，实现了拥塞避免和可用带宽的动态公平分配，改进了现有算法的结果。为提高系统响应速度，简化算法，本文提出了一种快速队列跟踪控制器。所设计的控制器包含两部分：跟踪控制器和前馈控制器，分别实现了对给定期望队列长度的静态无差跟踪和对可用带宽干扰的有效抑制。通过严格的理论推导，得到了保证系统控制器和闭环系统稳定的参数范围，同时获得了在高突发性VBR业务背景下不同链接的Max-Min动态公平性。该算法实现简单，所需参数少，可适应较大范围变化的回路时延。文章的第三部分充分考虑广域网大传输时延和高带宽时延积特征，以缓冲区内队列长度为QoS衡量尺度，将ABR可用带宽视为系统的未知有界扰动信息，设计双Smith预估器，从时域和频域两个角度出发分别分析了系统的稳定性。同时为抑制模型失配信息和控制器输入饱和问题，分别设计了反馈滤波器和辅助控制器。该方案可在较大回路时延和时延抖动环境下稳定运行，由可用带宽波动引起的响应可被完全抑制，且不需要测量可用带宽信息。文章接下来针对基于模型拥塞算法中对网络模型理想化、线性化等不足，基于ER反馈控制机制，设计了Fuzzy-PID型ER控制器。不需对通信网络系统精确建模，根据网络动态特性，充分考虑饱和非线性因素的影响，通过合理选择控制参数，制定了具有较强适应性的控制规则，分别优化PID参数，该方案结合传统PID和Fuzzy推理的优点，结构简单，易于实现。针对多种网络环境进行了仿真验证，分析了可用带宽、回路时延、比例因子等因素对系统性能的影响。仿真结果表明该设计方案具有较好的适应性和鲁棒性。本文的最后一部分研究HSTCP主动队列管理算法的设计。首先分析了HSTCP网络环境的特点和动态窗口调整策略与传统TCP的区别。利用局部线性化的方法将HSTCP非线性模型简化为二阶线性时滞系统。在此基础上，设计了通用PI控制器，称为SPI，解析证明了系统的稳定性，给出了自适应选择控制参数的方法。该方法同时适用标准TCP和HSTCP。运用NS2进行扩展的仿真研究，并与去尾算法的性能进行了比较。仿真结果证实了SPI控制器在两种异构流下的有效性，且具有较高的吞吐量性能，并在异构环境下具良好的公平性和友好性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-32
  1.1 网络拥塞控制研究的意义  13-14
  1.2 ATM 网络拥塞控制算法  14-24
    1.2.1 二进制反馈方案  14-16
    1.2.2 启发式显式速率反馈方案  16-19
    1.2.3 基于控制理论显式速率反馈方案  19-24
  1.3 高速 TCP 拥塞控制算法  24-31
    1.3.1 AQM 算法  24-27
    1.3.2 HSTCP  27-28
    1.3.3 XCP  28-31
  1.4 论文的主要研究内容  31-32
第2章基于随动跟踪的 ABR 流量控制改进算法  32-43
  2.1 引言  32
  2.2 网络信息传输描述  32-35
    2.2.1 反馈机制  32-34
    2.2.2 网络模型描述  34-35
  2.3 拥塞控制器设计  35-39
  2.4 拥塞算法实现  39
  2.5 仿真研究  39-42
  2.6 本章小结  42-43
第3章 FTQ 拥塞控制算法  43-61
  3.1 引言  43-44
  3.2 网络系统模型  44-47
  3.3 控制器设计  47-55
    3.3.1 快速队列跟踪控制器  47-53
    3.3.2 前馈控制器  53-55
  3.4 VC 公平性  55-57
  3.5 仿真研究  57-60
  3.6 本章小结  60-61
第4章基于双 Smith 预估器的 ABR 业务拥塞控制  61-79
  4.1 引言  61-62
  4.2 模型描述  62-65
  4.3 控制器设计  65-73
    4.3.1 控制目标  65-66
    4.3.2 传统 Simth 预估器  66
    4.3.3 双 Smith 预估器  66-70
    4.3.4 反馈滤波器设计  70-71
    4.3.5 辅助控制器设计  71
    4.3.6 ER 更新算法  71-73
  4.4 仿真研究  73-78
  4.5 本章小结  78-79
第5章 ATM 网络模糊控制算法研究  79-97
  5.1 引言  79-80
  5.2 网络信息传输描述  80-82
  5.3 模糊逻辑与模糊控制器设计  82-90
    5.3.1 模糊逻辑  82-86
    5.3.2 模糊控制器设计  86-90
  5.4 仿真研究  90-96
  5.5 本章小结  96-97
第6章 HSTCP 主动队列管理算法研究  97-121
  6.1 引言  97-99
  6.2 模型描述  99-103
  6.3 控制器设计  103-110
  6.4 仿真研究  110-120
  6.5 本章小结  120-121
结论  121-123
参考文献  123-133
攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果  133-136
致谢  136-137
作者简介  137

高速通信网络拥塞控制算法研究

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